汽輪發電機定子鐵心鬆動故障的分析及處理

定子鐵心是發電機核心部件，在製造、執行、檢修等過程中，不可避免會出現由於鐵心表面因外力作用所引發的定子鐵心衝片區域性短路或因鐵心表面的片間絕緣損壞、從而導致鐵心區域性熱點。本文以一臺發電機鐵心故障分析、處理例項，對鐵心鬆動插片、鐵心表面磷酸電解等處理措施，鐵心質量兩種實用化檢測方法紅外成像法和電磁法檢測進行了介紹和總結。

發電機定子鐵心是由成千上萬張扇形矽鋼片疊裝而成的，裝配完成的定子鐵心要求槽形平直、槽壁平整、有足夠的緊力，以保證鐵心的剛度和避免電磁力引起片間振動，還要注意片間絕緣不應受損、通風道均勻整齊、不變形等。

發電機定子鐵心由於製作或檢修的原因可能存在質量不良，或者在執行中由於熱和機械力的作用，引起鐵心鬆動，造成片間絕緣損壞而短路，在短路區域形成區域性過熱，尤其是發生在槽周圍表面，會加速繞組絕緣劣化，威脅機組的安全執行。本文以河北南網某機組鐵心故障為例，對鐵心鬆動原因進行分析、對修復措施和質量檢測方法進行介紹和總結。

1 故障描述

河北南部電網某電廠2號發電機在執行中出現聲音異常，經綜合分析診斷為鐵心鬆動造成。停機檢查發現定子勵側槽口34與35槽之間第64段鐵心、31槽與32槽之間第1段鐵心過熱見圖1，1槽與2槽間鐵芯邊端（階梯齒）靠近壓指處的鐵芯矽鋼片齒部，發生嚴重的片間鬆動磨損現象，磨損的大部分矽鋼片已磨成粉狀，導致嚴重過熱損壞見圖2，35和36槽線棒槽口絕緣因鐵心鬆動有磨損，36槽線棒磨損尤其嚴重，鬆動的鐵心將5。5 mm厚的繞組絕緣磨損達深度達5 mm，若不及時發現不久就很可能形成短路接地，造成重大故障。

用專用儀器測量槽楔壓緊情況發現槽楔普遍較松，按廠家規定其值應在0。2～0。5之間，實際測量值達到了1。0。

圖1 鐵心鬆動劣化

圖2 過熱引起的鐵心損壞

2 故障原因及暴露出的問題

2.1 鐵心製造及檢修質量存在問題

發電機在執行中鐵心會受到各種力的作用，其中轉子和定子之間的徑向力波形成的交變磁拉力及鐵心的自重佔很大比例，如果鐵心製造時壓裝比較松，徑向力波將導致鐵心和個別扇形片的振動，從而伴隨出現噪音和齒的斷裂。鐵心或它的個別區域壓裝變鬆的主要原因是由於扇形片的厚度特別不均勻、定子定位筋安裝不準確、通風槽鋼安裝不正確、鐵心在製造廠時的疊裝質量低劣等，本臺機組檢修就發現故障齒段厚度不均勻。

檢修過程中鐵芯定位螺桿過緊，本機組在上次修理過程中曾對定子鐵芯的軛部定位螺桿進行緊固，從而使得鐵芯軛部定位螺桿的預緊量與中部穿心螺桿的預緊量失去了原來1：0。75的比例平衡，軛部過緊會引發齒部彈開，然而由於端部鐵芯粘結牢固，從而導致端部鐵芯段之間的通風槽板的預緊量下降造成鐵芯的鬆動和磨損。勵端定子鐵心受外力敲擊損傷明顯。

從圖2可以看到，在勵端損壞槽間的齒壓板上有十分明顯的壓痕，不但導致齒壓板下的鐵板變形，而且使第一檔階梯鐵芯和第一檔通風槽板的齒條損壞。由於勵端第二檔鐵芯段的阻隔，外力未能影響到第二檔通風槽板，所以檢查第二檔通風槽板時，沒有發現任何通風齒條受損痕跡。

2.2 執行中溫度變化的影響

發電機晝夜負荷不均勻， 有功負荷變化較大，無功負荷也隨之有較大變化，這些都會導致鐵心溫度變化。有關資料統計表明，有功負荷變化200～130 MW，無功負荷變化110～20 Mvar， 會導致鐵心溫度變化達25~35℃。某些發電機由於調峰需要頻繁啟停，使發電機定子鐵心的溫度變化範圍達50～70℃。

發電機在執行中定子鐵心溫度激烈變化使矽鋼片間的夾緊力產生鬆緊變化，長時間反覆如此，會使定子鐵心週期性熱脹冷縮，就容易引起鐵心齒部鬆動，在電磁力作用下產生振動和噪聲。

3 處理措施

3.1 鐵心鬆動處理

發電機鐵心整體或部分鬆動都屬於不正常現象，在檢修中必須予以消除。處理鐵心壓裝普遍鬆動的問題較為複雜，需要根據具體情況在製造廠家參加下具體地加以解決。應該注意的是，用緊壓圈壓緊鐵心的方法一般是不允許的，因為這種方法有損壞定子繞組絕緣的可能性，而且也達不到良好的效果，這種方法只能使很短的一段鐵心疊片壓緊。

鐵心的個別區域尤其是端部鐵心的鬆動和較大的振動是比較常見的。在這種情況下，一般採用在片間插入0。2 mm厚的環氧玻璃布板的方法，環氧玻璃布板與鐵心片隔一片或兩片細心插入見圖3。根據鐵心鬆動的程度，決定插入的片數及每片插入的深度，按照經驗，不取出線棒時最大插入深度約在100 mm。

由於鐵心兩側緊靠繞組，如向更深處繼續插片比較困難，此時要取出線棒，這樣便於插片到更深處，以增強片間絕緣和減小渦流。對於間隙較小，環氧玻璃布板難以插入的鐵心疊片，可用窄而薄的專用工具把齒撬開，在撬開的縫隙中灌入同一牌號的絕緣漆。

圖3 鐵心鬆動插片處理

3.2 定子鐵心熱點磷酸電解處理

電解是將電流透過電解質溶液或熔融態物質（又稱電解液），在陰極和陽極上引起氧化還原反應的過程。對於鐵心表面熱點位置採用磷酸電解腐蝕過程中，磷酸電解液中正1價氫離子（H+）流向陰極並得到電子，發生還原反應，生成氫氣；負3價磷酸根離子（PO33-）流向陽極定子鐵心衝片，衝片鐵板基材失去電子，發生氧化反應，變成正2價鐵離子，溶於電解液中。

衝片表面毛刺及尖角處的接觸溶液麵積大，積累離子多，易先反應而溶於電解液中，從而消除片間短路發熱點。磷酸電解步驟見圖4。

圖4 磷酸電解操作主要步驟

按照西門子工藝規範，磷酸電解液的配比見表1。

表1 磷酸電解液配比

用電極浸沾磷酸電解液在需要電解腐蝕表面來回塗刷，電解期間目測或藉助普通放大鏡檢查，如衝片層次已清晰則停止電解。

3 修復後熱點檢測

鐵心鬆動處理完畢後，應對鐵心進行質量檢測，一般採用兩種實用化檢測方法，電磁法（ELCID）和紅外熱成像法（鐵損試驗）對於個別齒部仍過熱嚴重的鐵心，應繼續處理，如可將環氧玻璃布板插人更深。

3.1 電磁法鐵心檢測

若定子鐵心存在絕緣失效或明顯老化的疊片，當哪怕施加很小的勵磁電流時，也會感應出故障渦流由，如果從探測感應電流著手，如果能直接探測故障點產生的磁場，而不是檢測故障產生的熱效應，需要的磁通量就會很低，這就就解決了傳統的試驗方法問題，這就是鐵心故障電磁探測法，原理如圖5所示。

圖5 Chattock檢測儀在定子齒上的定位

透過給

定子鐵心

的附加勵磁線圈施加很小的勵磁電流，使得在鐵心內沿軸向產生約4%的額定磁通密度，當鐵心軸向的疊片間發生短路故障並與周向磁通形成一個閉合迴路時，故障區會感應出很小的故障電流。透過Chattock線圈測量該故障電流所產生的磁位差，即可以實現對故障點的定位和故障程度的判定。

電磁法式低磁通、小電流檢測，省時省力，方便用於鐵心質量檢測。因此在該機鐵心鬆動處理完畢後，首先採用低磁通檢測進行檢測見圖6，如果有故障點，再採用熱成像法確認故障嚴重程度。

圖6 現場電磁法檢測

檢測結果如圖7-8。

圖 7 電流軌跡圖

圖8 鐵心整體檢視

從軌跡圖和鐵心整體檢視可以看出，發電機鐵芯故障電流峰值均低於100mA，整體鐵芯檢視良好，說明發電機鐵芯故障經修理和處理後的質量狀況良好。

3.2 紅外熱成像試驗

紅外熱成像試驗（紅外鐵損）是檢測鐵心質量完好性最直觀的辦法，為了進一步確認鐵心質量，決定進行鐵心損耗試驗，透過測量鐵軛和齒部的溫度，檢查各部分溫升及溫差，綜合判斷鐵心片間絕緣是否良好，確保在熱點處理後鐵心質量，避免發電機帶缺陷投運。

該發電機所處12。6米平臺，6kV配電室位於其下方的6。5米平臺，電源選取方便，啟備變為有載調壓，系統電壓調整方便，由於採用6kV電壓，勵磁電流相對較低，可降低勵磁電纜截面，便於纏繞，並可以滿足鐵損試驗的1。4T的磁密值，試驗時使用熱成像儀檢查定子的全部齒，找出溫升較高部位，然後結合紅外點溫計進行特別監視。

紅外檢測結果如圖8。

圖9 鐵心紅外成像圖譜

從建立試驗磁通開始，透過紅外熱成像儀對鐵心溫度進行了監視，鐵心整體沒有過熱點，最高溫升小於25K，最大溫差小於15K，單位鐵損低於2。58W/kg，檢修後鐵心絕緣良好。

4 結論

（1）鐵心處理過程中手工操作在生產工藝過程中所佔比例大、工藝質量對人的手工工藝和責任心依賴性高，對鐵齒鬆動修復過程中應嚴控操作工藝，防止插刀、槽鍥退出及安裝過程中對片間絕緣二次損傷。

（2）鐵心故障修復後應至少進行一次電磁法檢測，以驗證修理質量，有條件的可同時利用紅外熱成像法確認鐵心表面有無熱點。

（3）針對近年來部分600MW發電機出現的鐵心鬆動問題，特別是在同一製造廠家的機組上重複發生的問題應引起重視，及時對其他機組進行針對檢查，提前發現裝置隱患，確保機組安全執行。

（4）鐵心鬆動及時檢測和處理，防止鐵芯區域性熱點劣化，因此應制定反事故措施，把兩種鐵心檢測方法納入檢修後常規試驗專案中，確保鐵芯大修後鐵心無缺陷投運。

本文編自《電氣技術》，論文標題為“汽輪發電機定子鐵心鬆動分析及處理”，作者為郝鋒、嶽嘯鳴。